Адсорбционная очистка газов

При физической абсорбции происходит физическое растворение абсорбируемого компонента в растворителе, не сопровождающееся химическими реакциями. Абсорбция происходит только в том случае, если парциальное давление абсорбируемого компонента в газовой фазе больше равновесного парциального давления этого компонента над раствором. Чем больше разница давлений, тем больше движущая сила процесса и тем с большей скоростью протекает абсорбция.

При хемосорбции молекулы абсорбтива вступают в химическое взаимодействие с молекулами активного компонента абсорбента, образуя новое химическое соединение в жидкой фазе. При этом равновесное парциальное давление извлекаемого компонента над раствором значительно ниже (меньше), чем при физической абсорбции, поэтому хемосорбционный процесс более полно извлекает компонент из газовой фазы

В качестве абсорбента (поглотителя) может быть использована любая жидкость, в которой растворили извлекаемый из газового потока компонент (загрязняющее вещество).

Универсального абсорбента, удовлетворяющего всем требованиям, нет, поэтому выбирают обычно абсорбент, наиболее полно удовлетворяющий ряду требований.

Большинство реакций является экзотермическими и обратимыми, поэтому процесс регенерации (десорбции) легко произвести путем повышения температуры жидкости и образовавшееся химическое соединение легко разлагается на исходные продукты.

Регенерацию поглотителя можно осуществлять также путем понижения давления или сочетая эти оба метода.

Сочетание процесса абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать жидкий поглотитель в замкнутом контуре: абсорбция – десорбция – абсорбция и выделять поглощаемый компонент в чистом виде, не загрязняя окружающую среду.

Закон сохранения массы.

В покоящейся системе законы сохранения массы и энергии означают, что

внутри системы они могут превращаться, оставаясь в совокупности неизменными. Если система состоит из нескольких компонентов и одной фазы, то сумма масс всех компонентов должна быть равна массе всей системы (закон сохранения массы): . Если в системе несколько фаз, то

Согласно закона сохранения веществ масса (количество) поступающих на переработку веществ должно быть равно массе веществ, получаемых в результате проведения процесса : = .

На практике .

Рассмотрим процесс поглощения газа жидкостью. Количество компонента (аммиака), переходящего из газовой фазы в жидкую:

,

где: G и L – расход инертного газа и жидкости, кмоль/с; , - концентрация компонента газа, кмоль/кмоль; , - концентрация компонента жидкости, кмоль/кмоль.

, ,

Запишем материальный баланс

y для сечения I – I:

противоток

или

I I

поскольку - const, а второй

член правой части уравнения ()

, , x также является величиной

постоянной, получим:

, , ,

y прямоток где:

- тангенс угла наклона прямой линии;

B – отрезок отсекаемых на оси ординат прямой линии.

x

, , Для прямотока .

Расход абсорбента: ; или его удельный расход: . Уравнение - уравнение рабочей линии, определяет зависимость между составами газа и жидкости в произвольном сечении аппарата. Из уравнения следует, что рабочая линия абсорбции в координатах y – x представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен .

Состояние равновесия между концентрацией газа в газовой и жидкой фазах характеризуется константой фазового равновесия (коэффициентом распределения), которая равна отношению концентрации компонента в газовой фазе к его концентрации в жидкой фазе.

В зависимости от способа выражения концентраций, константа фазового равновесия может быть определена:

, ; ; ; , Па/моль

, ; , .

Сведения о растворимости газов , определенные опытным путем, приведены в справочниках.

В технологических расчетах могут быть применимы законы для идеальных растворов: а) закон Рауля – при температурах ниже критических:

,

где: - парциальное давление компонента в газовой фазе над жидкостью в условиях равновесия;

- давление насыщенного пара чистого компонента А при данной температуре;

- мольная доля компонента А в жидкой фазе.

б) закон Генри - для систем “жидкость - газ” при температурах газа выше критических, когда концентрация растворенного компонента мала (менее 10%), а температура и давление далеки от критических значений:

, , ,

где: - парциальное давление компонента в газовой фазе над жидкостью в условиях равновесия;

- мольная доля компонента в жидкой фазе;

- коэффициент Генри, изменяется с температурой и зависит от природы газа и растворителя, имеет размерность давления (Павлов К.Ф., табл. XLII).

Так как , то уравнение можно представить в виде

; ; ;

где: - мольная доля компонента в газовой фазе, равновесной с жидкой;

- безразмерная константа фазового равновесия, постоянная при -const и -const.

, - коэффициенты зависящие от температуры;

- парциальное давление в газе, Мпа.

Если концентрация в в , то:

, подставим это выражение в уравнение ;

.

Так как растворимость многих газов значительно отклоняется от закона Генри, то при расчетах можно использовать экспериментальные опытные данные парциального давления:

Метод основан на способности некоторых твердых тел избирательно поглощать газообразные компоненты из газовых смесей. Присутствующие в газовой смеси молекулы загрязненного газа или пара собираются на поверхности или в порах твердого материала. Поглощаемое из газовой фазы вещество ─ называется адсорбтивом, а твердое вещество, на поверхности или порах которого происходит адсорбция поглощаемого вещества – адсорбентом. Газовая фаза, в которой находится извлекаемый компонент – газ – носитель, а после того, как извлеченный компонент перешел в адсорбированное состояние, его называют адсорбатом.

Применяют в этом случае:

1) когда другие методы оказываются неэффективны;

2) концентрация загрязняющих веществ очень мала и требуется гарантированная рекуперация извлекаемой примеси из-за ее значительной стоимости или опасности. Методом адсорбции из отходящих газов удаляют SO₂ ,углеводороды, хлор, сероводород, сероуглерод, и другие.

Явление адсорбции обусловлено наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и адсорбтива на границе раздела соприкасающихся фаз. Переход молекул загрязняющих веществ из газа – носителя на поверхностный слой адсорбента происходит в том случае, если силы притяжения адсорбента больше сил притяжения действующих на адсорбтив со стороны молекул газа – носителя. Молекулы адсорбированного вещества, переходя на поверхность адсорбента, уменьшают его энергию, в результате чего происходит выделение теплоты, примерно 60 кДж/моль (небольшая). Силы притяжения имеют разную - физическую или химическую и, следовательно, различают:

Физическую адсорбцию – при которой взаимодействия молекул загрязняющих веществ с поверхностью адсорбента определяется слабыми дисперсными, индукционными силами (силы Ван – дер – Вальса). При этом адсорбированные молекулы не вступают в химическое взаимодействие с молекулами адсорбента и сохраняют свою индивидуальность.

Для физической адсорбции характерна высокая скорость процесса, малая прочность связи и малая теплота. С повышением температуры количество физически адсорбированного вещества уменьшается, а увеличение давления к возрастанию величины адсорбции. Преимущество – легкая обратимость процесса путем:

а) уменьшения давления

б) увеличения температуры. Адсорбированные молекулы легко десорбируются без изменения химического состава, а регенерированный адсорбент может использоваться многократно. Процесс можно вести циклично, чередуя стадию поглощения и выделения извлекаемого компонента.

Химическая адсорбция – в основе лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбируемым веществом. Действующие при этом силы значительно больше, а высвобождающееся тепло совпадает с теплом химической реакции и составляет 20 – 400 кДж/моль.

Главные отличия:

1)молекулы адсорбтива, легко вступив в химическое взаимодействие, прочно удерживаются на поверхности и в порах адсорбента;

2)скорость реакции, при низких температурах мала, но возрастает с ростом температуры.

Оба вида адсорбции сопутствуют друг другу, однако, наибольшее значение для очистки газов имеет физическая адсорбция.

Промышленные адсорбенты. Любое твердое тело обладает поверхностью и, следовательно, потенциально является адсорбентом.

В технике используют адсорбенты с сильно развитой внутренней поверхностью, полученной в результате (спекания), синтеза и специальной обработки.

Дата добавления: 2014-12-16